CHƯƠNG 2. CÁC PHẦN TỬ CÔNG NGHỆ, CẢI TIẾN TRONG 4G LTE ADVANCED
2.3. Kỹ thuật các nút chuyển tiếp trong LTE-A
2.3.1. Giới thiệu về kỹ thuật các nút chuyển tiếp ( Relay Node )
Việc sử dụng băng thông cao cho LTE Advance có thể giảm mật độ phổ công suất khả dụng và thậm chí phổ rộng sẽ chỉ khả dụng tại các băng tần cao và điều này đồng nghĩa với suy hao cao. Các thuê bao yêu cầu các dịch vụ tốc độ số liệu cao thường được đặt trong nhà và phải chịu cường độ tín hiệu thấp vì sóng vô tuyến phải xâm nhập qua các tường ngăn của tòa nhà. Để chống lại các ảnh hưởng này và đảm bảo thông lượng ổn định trên toàn mạng, các nút phát cần được đặt gần các người sử dụng hơn để đạt được tốc độ xử lý cao hơn. Kỹ thuật các nút chuyển tiếp (RN: Relay Node) ra đời không chỉ hỗ trợ cho phép lắp đặt đơn giản mà còn là giải pháp kinh tế cho các triển khai mật độ cao vì không cần đường trục hữu tuyến. Có thể đạt được thông lượng cao trên các đường truy nhập vô tuyến nhờ RN ở gần và vùng phủ sóng nhỏ hơn của nó. Đường trục từ RN đến eNodeB cũng được hưởng lợi từ vị trí RN tốt hơn so với UE được phục vụ và vì thế cho phép eNodeB thông qua RN cung cấp vùng phủ sóng tốt hơn với hiệu suất phổ tần cao hơn.
2.3.2. Các loại nút chuyển tiếp và cách thức hoạt động
a. Chuyển tiếp lớp 1
Chuyển tiếp lớp 1 chỉ sử dụng các bộ lặp. Các bộ lặp thu tín hiệu, khuyếch đại và phát lại thông tin để chỉ phủ các lỗ đen trong các ô. Các đầu cuối có thể sử dụng tín hiệu được phát lặp và tín hiệu trực tiếp. Tuy nhiên để kết hợp hai tín hiệu này một cách có lợi, trễ thu giữa chúng phải nhỏ hơn thời gian CP ( tiền tố ).
Ưu điểm: + Chức năng đơn giản, lắp đặt không tốn kém. Tiêu chuẩn kỹ thuật sử dụng ít ( chỉ sử dụng hiệu suất của bộ lặp đã được định nghĩa ở LTE-R8 )
Nhược điểm: Nhiễu bị khuyếch đại đồng thời cùng tín hiệu phát.
Hình 2.9. Chuyển tiếp lớp 1
b. Chuyển tiếp lớp 2
Trong chuyển tiếp lớp hai bao gồm hai lớp MAC và RLC, nút chuyển tiếp có khả năng điều khiển ít nhất một bộ phận của khối RRM ( quản lý tài nguyên vô tuyến). Trong một số khe, nút chuyển tiếp hoạt động như một đầu cuối của người sử dụng đóng vai trò một BTS phát đến nhiều người sử dụng trong khe tiếp theo.Về căn bản RN lớp 2 sẽ hoạt động giống như một eNodeB bình thường bao gồm cả lập biểu và quản lý tài nguyên, nhưng đường trục được thực hiện bởi một đường truyền LTE đến eNodeB bằng cách sử dụng một băng tần bổ sung ( ngoài băng ) hay cùng băng ( trong băng ) cho đường truy nhập này. Phương pháp thứ hai cũng thường được sủ dụng vì nó không cần cấp phép tần số bổ sung và không cần cách ly cao đối với tự nhiễu nhờ việc sử dụng phân cách TDMA giữa phát RN đến các đầu cuối và thu từ eNodeB ( một giải pháp đơn giản cho phân cách TDMA là RN dành trước một số khung MBSFN). Khung con MBSFN cho phép truyền dẫn không liên tục từ eNodeB.
Ưu điểm: + Loại bỏ được nhiễu
Nhược điểm: + Trễ xảy ra giữa quá trình điều chế /giải điều chế mã hóa/giải mã
+ Phương thúc điều khiển vô tuyến được đặt ở giữa BS và nút chuyển tiếp RN
Hình 2.10. Chuyển tiếp lớp 2
c. Chuyển tiếp lớp 3
Là phương pháp sử dụng truy nhập vô tuyến của LTE trong đường trục vô tuyến để nối một eNodeB với một eNodeB khác. EnodeB ở giữa, định tuyến các gói giữa đường trục hữu tuyến và vô tuyến giống như một Ip router. Chuyển tiếp loại 3 cũng thực hiện tiếp giải điều chế và giải mã hóa của tín hiệu vô tuyến RF tiếp nhận trên đường xuống từ trạm gốc nhưng sau đó cũng thực hiện xử lý (mật mã hóa (Ciphering), sự ghép nối/ phân chia/ ráp lại dữ liệu người dùng User-data) để truyền lại dữ liệu người dùng trên giao diện vô tuyến và cuối cùng thực hiện giải mã hóa và điều chế và truyền đến thiết bị người dùng UE.
Hình 2.11. Chuyển tiếp lớp 3 Ưu điểm : + Giảm thiểu nhiễu
+ Tác động tới các tiêu chuẩn kỹ thuật không đáng kể.
2.3.3. Các vấn đề liên quan đến triển khai nút chuyển tiếp RN 2.3.3.1. Thủ tục khởi động trạm chuyển tiếp Relay
Khi 1 trạm chuyển tiếp mới được triển khai trong mạng, nó sẽ tự động gắn nó vào mạng di động. Thủ tục này dựa trên thủ tục thiết bị người dùng UE thông thường kết nối vào mạng.
Có 2 phần trong thủ tục khởi động của trạm chuyển tiếp.
Giai đoạn thứ nhất: nút chuyển tiếp Relay tạo ra kết nối RRC tới trạm gốc EnodeB và liên kếtvới chính nó như là một thiết bị người dụng UE thông thường để cấu hình khởi tạo.
Giai đoạn thứ hai: nút chuyển tiếp Relay kết nối đến trạm gốc (BS) lựa chọn từ danh sách trong gian đoạn đầu tiên. Các nút chuyển tiếp Relay sẽ gửi một chỉ số chuyển tiếp đến trạm gốc (BS) trong quá trình thiết lập kết nối RRC.
2.3.3.2. Thủ tục UE liên kết
Có 2 trường hợp liên quan đến thủ tục liên kết UE vào trạm chuyển tiếp.
Trường hợp thứ nhất UE ban đầu liên kết với trạm Relay khi khởi động và trường hợp khác là UE ban đầu liên kết vơi trạm gốc sau khi khởi động, và bây giờ nó cần liên kết với trạm chuyển tiếp sau khi lựa chọn lại vùng phủ Cell trong trạng thái RRC IDLE. Trong
trường hợp đầu tiên, việc hoàn thành kết nối logic S1 liên kết với UE tới mạng lõi được thực hiện do 1 thiết lập kết nối RRC được kích hoạt bởi 1 nút chuyển tiếp.
Trường hợp hai thuộc về loại di động LTE trong trạng thái RRC IDLE. Tất cả các thủ tục di động LTE trong trạng thái RRC-IDLE được thực hiện độc lập trong UE.
2.3.3.3. Thủ tục chuyển giao
a. Chuyển giao từ trạm Relay đến trạm gốc EnodeB
Dựa trên báo cáo đo đạc trên UE, nút chuyển tiếp quyết định có nên bắt đầu một chuyển giao hay không. Nếu có, nút chuyển tiếp Relay sẽ lựa chọn một mục tiêu Cell phủ cho UE.
Sau đó, Relay sẽ gửi bản tin yêu cầu chuyển giao tới trạm EnodeB. EnodeB sẽ tìm mục tiêu EnodeB từ bản tin và chuyển tiếp bản tin hướng tới EnodeB. Sau khi tiếp nhận bản tin báo nhận ACK yêu cầu chuyển giao, nút chuyển tiếp gửi một lệnh chuyển giao tới UE. UE sau đó sẽ tách ra và đồng bộ với mục tiêu EnodeB.
b. Chuyển giao từ EnodeB tới Relay
Trong trường hợp chuyển giao từ EnodeB đến Relay, thủ tục của nó giống như chuyển giao từ nguồn EnodeB đến mục tiêu EnodeB khác. Từ quan điềm của UE, Relay giống như một EnodeB. UE thông báo đo lường của nó tới nguồn EnodeB. Nguồn EnodeB sẽ quyết định chuyển giao tới trạm Relay.Sau đó trạng thái chuyển giao được thực hiện, yêu cầu chuyển giao được gửi đến trạm Relay thông qua EnodeB.Nếu trạm chuyển tiếp Relay có thể chấp nhận UE, một bản tin được chuyển tới UE để bắt đầu chuyển giao. Dữ liệu đường xuống đến tại EnodeB nguồn tới UE được truyền đến trạm Relay.
2.3.4. Các ưu điểm và nhược điểm trong việc sử dụng trạm chuyển tiếp Relay
a. Các ưu điểm
+ Mục đích chính của giải pháp Relay là cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh để hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu cao hơn.
+ RNs tăng cường thông lượng trên toàn mạng bằng cách sử dụng hiệu quả các tiện ích nguồn tài nguyên mạng.
+ RNs đang là 1 giải pháp chi phí triển khai hiệu quả, đang được nhiều nhà điều hành mạng quan tâm.
+ RN mang lại độ lợi đáng kể cho chỉ số SINR thông qua kế hoạch mạng hợp lý.
b. Các nhược điểm
+ Trong chuyển tiếp, DenodeB sử dụng một vùng tài nguyên vô tuyến chung một trong 3 liên kết: liên kết trực tiếp (UEs đến DenodeB), liên kết Relay (từ DenodeB đến Relay) và liên kết truy nhập (từ UEs đến trạm Relay). Hơn nữa, trong chuyển tiếp trong băng, liên kết Relay và liên kết truy nhập sử dụng chung tài nguyên vô tuyến thông qua sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TMA), do đó nó cũng làm giảm hiệu suất của RN.
+ Các RN có bán kính vùng phủ nhỏ do công suất phát thấp, độ lợi anten thấp và tổn hao đường truyền cao theo số mũ.
+ Các RN cũng cần có tài nguyên vô tuyến để cho các đường kết nối Relay, để kết nối với DenodeB.
+RN cũng là nguyên nhân gây ra trễ hệ thống trong quá trình xử lý tín hiệu trước khi truyền đi.
2.3.5.Truy nhập vô tuyến cho các trạm chuyển tiếp Relay.
Một giải pháp đó là sử dụng mạng tần số đơn lẻ Muticast /Broadcast (MBSFN), cấu hình các khung con trong các khung con tiếp nhận bởi trạm chuyển tiếp tiếp nhận tín hiệu từ trạm gốc (BS). Trong phương pháp này một tín hiệu tham khảo và các tín hiệu điều khiển Relay loại 1/ Relay loại 2 được đặt tại rất nhiều phía trước của khung con, chỉ chiếm 2 kí tự.
Trong phương pháp này một thiết bị người dùng UE có thể nhận ra rằng không có dữ liệu truyền từ trạm chuyển tiếp trong 1 khung con của chính nó trong đó các trạm chuyển tiếp tiếp nhận các tín hiệu từ trạm gốc. Tại 1 thời điểm giống như vây, thiết bị người dùng UE có thể đo cường độ tín hiệu RF tiếp nhận từ trạm chuyển tiếp Relay so với tín hiệu tham khảo trong 2 kí tự đầu tiên tại phía trước khu nhỏ.
Hình 2.12. Cấu hình khung vô tuyến cho các trạm chuyển tiếp 2.3.6. Giao thức vô tuyến cho các trạm truyển tiếp Relay
Trong công nghệ chuyển tiếp loại 3, Trên thực tế, trạm chuyển tiếp được trang bị giao thức hội tụ gói dữ liệu (PDCP) về mật mã hóa và nén tiêu đề cho dữ liệu người dùng. Giao thức điều khiển kết nối vô tuyến (RLC) điều khiển truyền lại bởi ARQ. Sự trùng hợp/ phân khúc/ ráp lại cho khối dữ liệu dịch vụ (SDU) và trình tự gói tin tiếp nhận.Giao thức điều khiển truy nhập trung bình (MAC) cho HARQ và sơ đồ dữ liệu người dùng và giao thức điều khiển nguồn vô tuyến cho di động, chất lượng dịch vụ (QoS) và điều khiển bảo mật.
Thêm vào đó khi quản lý đường kết nối backhaul và kết nối truy nhập vô tuyến trên cùng tần số được miêu tả như trên. Quản lý việc ghép kênh phân chia theo thời gian TDM được yêu cầu giữa hai kết nối trên việc yêu cầu điều khiển vô tuyến liên kết. Điều này được hoàn tất bởi cung cấp 1 phương pháp cho việc định vị nguồn tài nguyên tới kết nối vô tuyến backhaul.